CN110198423B

CN110198423B - 信号转换装置及方法

Info

Publication number: CN110198423B
Application number: CN201910337711.0A
Authority: CN
Inventors: 牛育泽; 卓毅; 黄兆丰
Original assignee: Beijing Guanyue Xintong Science And Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Guanyue Xintong Science And Technology Co ltd
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: CN110198423A

Abstract

本申请公开了一种信号转换装置以及方法。信号转换装置包括：积分模块，配置为基于积分电流进行积分，以提供积分电压；以及控制模块，其被配置为在第一时间段中，基于所述积分电压与参考电位的比较结果获得具有第一精度的第一量化信号以及残余量，其中，所述第一时间段具有预设的时间长度；在第二时间段中，使得所述积分模块通过所述积分电流对所述残余量积分，以基于所述第二时间段的时间长度来确定具有第二精度的第二量化信号。

Description

信号转换装置及方法

技术领域

本申请属于信息显示领域，尤其涉及一种基于时间的信号转换装置及其方法。

背景技术

读出集成电路一直是红外焦平面阵列领域的研究热点，其像素电路按照读出方式通常分为数字像素和模拟像素两种。与模拟像素相比，数字像素可以显著提高电荷处理能力，这一点对于长波红外焦平面阵列的读出尤为重要。随着长波红外焦平面阵列读出电路的像素间距越来越小，基于像素级ADC的红外读出电路在电荷处理能力和信噪比方面越来越具有优势。

传统基于PFM的像素ADC通常由PFM环路，N位计数器组成。该类型的像素级ADC有着超大电荷处理能力这个优势，但是存在电荷余量被丢弃的问题。针对该问题，一般采用两级量化方式，对电荷余量也进行量化。传统的两级量化方式，细量化方式是对余量采用直接斜坡型比较量化、采样后量化等方法，细量化精度十分有限。

因此，亟需一种具有较高细量化精度的信号转换装置及方法。

发明内容

本申请针对上述问题，本申请提供了一种信号转换装置，该装置包括：积分模块，配置为基于积分电流进行积分，以提供积分电压；以及控制模块，其被配置为在第一时间段中，基于所述积分电压与参考电位的比较结果获得具有第一精度的第一量化信号以及残余量，其中，所述第一时间段具有预设的时间长度；在第二时间段中，使得所述积分模块通过所述积分电流对所述残余量积分，以基于所述第二时间段的时间长度来确定具有第二精度的第二量化信号。

本申请还提供了一种量化方法，包括：在第一时间段中，利用积分电流来执行折叠积分，以获得第一精度的第一量化信号和残余量，其中，所述第一时间段具有指定的时间长度；在第二时间段中，通过所述积分电流对所述残余量进行积分，并基于所述第二时间段的时间长度来确定具有第二精度的第二量化信号。

通过采用本申请的技术方案，能够实现基于时间长度来进行较高精度的量化，从而提高细量化精度。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1为依据本申请实施例的信号转换装置的架构图；

图2a示出了依据本申请另一实施例的信号转换装置的架构图；

图2b为图2a中信号转换装置的时序图；

图2c为图2a中信号转换装置的复位信号的示意图；

图3a示出了依据本申请另一实施例的信号转换装置的架构图；

图3b为图3a中信号转换装置的时序图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本申请一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本申请的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本申请的所有实施例。可以理解，在不偏离本申请的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本申请的范围由所附的权利要求所限定。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

晶体管可指任何结构的晶体管，例如场效应晶体管(FET)。当晶体管为场效应晶体管时，其控制极是指场效应晶体管的栅极，第一极可以为场效应晶体管的漏极或源极，对应的第二极可以为场效应晶体管的源极或漏极。

基于上述内容，本申请提出一种基于时间的信号转换装置，通过PFM方式来进行M位粗量化，而N位细量化通过量化时间来确定最终的量化结果，进而提升量化精度。这里的粗、细旨在形容该两种量化的单位量程不同，粗量化的单位量程小于等于细量化的满量程。

图1为依据本申请实施例的信号转换装置的架构图。

如图所示，信号转换装置100包括积分模块110、控制模块120和探测模块130。具体而言，积分模块110包括耦积分电容C以及复位单元111，通过积分电流在积分电容C上积分，以提供积分电压V_INT，其中，积分电流由探测模块130在外部信号的影响下来提供。控制模块120包括比较单元121和逻辑单元122，其中，比较单元121用于比较积分电压V_INT和参考电位V_REF，并且将比较结果提供至逻辑单元122。逻辑单元122根据比较结果生成电压生成量化结果SL、SH以及量化过程中的复位信号CL。

积分电容C经由晶体管M耦合到探测器D，并且经由开关S耦合到高电位VR，其中，晶体管M接收控制信号MC以对探测器D施加偏压。比较单元121的第一输入端(即，负输入端)耦合到积分电容C以获取积分电压V_INT，比较单元121的第二输入端(即，正输入端)耦合到参考电位V_REF，比较单元121的输出端耦合到逻辑单元122以向逻辑单元122提供积分电压V_INT与参考电位V_REF的比较结果。逻辑单元122基于该比较结果以确定是否复位积分电容C的电位，并且确认粗量化的结果。譬如，在粗量化阶段，逻辑单元122基于该比较结果生成复位信号CL，以将积分电容C复位。

下面分阶段地对图1中的信号转换装置的工作进行阐述。

(1)初始阶段

在该阶段，开关S闭合，积分电容C上的电位被复位到电位VR，探测器D不对电容C进行放电。

(2)粗量化阶段

在本实施例中，粗量化阶段的时间长度t_INT根据应用场景来确定。当探测器D感光后，能够以积分电流I_INT对积分电容C进行放电，从而使得积分电容C上的电位V_INT以指定的斜率进行降低，即V_INT是斜坡电压。

当积分电容C上的电位降低到小于等于参考电位V_REF时，比较单元121的输出将从低电平翻转为高电平。逻辑单元122获取到该高电平，产生电荷复位信号CL，以使得电荷传输单元111将积分电容C复位至电位VR。逻辑单元122还配置为对比较单元121输出信号的翻转次数进行计数，并且将时间长度t_INT内所获得的翻转次数作为粗量化结果SH。为了便于描述，在本实施例中，将积分电容C上的电位从VR变换到V_REF所对应的电荷变化量作为一个电荷包Q₀。

(3)细量化阶段

在此阶段，探测器D上的电流继续对在电容C上进行最后一次放电，当积分电压V_INT最后一次小于等于参考电压V_REF时，比较单元121翻转，细量化停止，逻辑单元输出细量化结果SL。

由于细量化阶段和粗量化阶段的探测器电流保持相同，因此，通过确定细量化的时间长度，便可以确定细量化的结果。逻辑单元122还被配置为以指定的时钟信号来标定细量化阶段的时间。细量化的最大值(满量程)可以大于等于粗量化的最小值，因此，细量化在满量程时所对应的电荷量大于等于一个电荷包的电荷量Q₀，可以由表达式(1)来表示：

D×t_U×I_INT≥Q₀＝T×I_INT (1)

其中，D为细量化满量程的数，t_U是用来标定细量化时间长度的单位时间刻度，I_INT为探测器电流，Q₀为电荷包的电荷量，T为粗量化单位时间的长度(即，比较单元两次翻转之间的间隔)。可以理解的，当D*t_U大于T时，可以通过设置系数来调节细量化的值，进而能较好地将粗量化和细量化的结果衔接起来。

图2a示出了依据本申请另一实施例的信号转换装置的架构图，图2b为图2a中信号转换装置的时序图，图2c为图2a中信号转换装置的复位信号的示意图。

如图所示，积分模块210包括耦积分电容C、耦合到复位电位的开关元件S以及电荷传输单元，其中，电荷传输单元包括串联连接的晶体管M2-M4。

如图所示，积分电容C经由晶体管M1耦合到探测器D，并且经由开关S耦合到高电位VR。比较单元221的第一输入端(即，负输入端)耦合到积分电容C以获取该电容上的积分电压V_INT，比较单元221的第二输入端(即，正输入端)耦合到参考电位V_REF，比较单元221的输出端耦合到逻辑单元以提供积分电压V_INT与参考电位V_REF之间的比较结果。

晶体管M2的第一极用于接收来自逻辑单元的第一复位信号Φ1，晶体管M2、M3的控制极分别接收偏置电位V_B1和V_B2，晶体管M4的第二极耦合到积分电容C，并且晶体管M4的控制极用于接收来自逻辑单元的第二复位信号Φ2。

在本实施例中，逻辑单元包括逻辑门阵列L1-L6，计数器222、第一存储器223和第二存储器224。或非门L3、非门L6分别输出复位信号Φ1和Φ2，以使得积分电容C上的电压被复位。

下面，以对信号进行两个精度的量化来阐述本申请的技术方案。

(1)初始阶段

在该阶段，开关S闭合，电容C上的电位V_INT被复位到电位VR，探测器D不对电容C进行放电。

(2)粗量化阶段

与图1中的实施例相同，粗量化阶段具有预设的时间长度t_INT，并且可以根据具体应用场景来确定。探测器电流I_INT在积分电容C上进行积分，使得积分电容C的电位从电位VR开始下降形成斜坡电压V_INT。当斜坡电压V_INT下降到参考电压V_REF时，比较单元221的输出信号翻转，向或门L1的第一输入端提供高电平信号。或门L1的第二输入端接收时钟信号CK1。时钟信号CK1在粗量化阶段一直保持低电平，从而使得或门L1能够将比较单元221的输出信号传送至后续的逻辑门。

与门L2的第一输入端耦合到或门L1的输出端，并且第二输入端耦合到量化指示信号INT。在粗量化阶段，量化指示信号INT保持高电平。基于上述配置，当比较单元221的输出高电平时，与门L2同样输出高电平，使得或非门L3、非门L4均输出低电平，因此，或非门L5输出高电平，非门L6输出低电平，即复位信号Φ1和Φ2均为低电平，以实现以指定的电流对积分电容C进行充电。可以理解的，为了实现电荷传输，Φ1的脉宽大于Φ2，并且Φ2的下降沿晚于Φ1的下降沿，Φ2的上升沿早于Φ1的上升沿。基于该时序配置，经由晶体管M2传输的电荷将先存储在晶体管M3处，然后随着Φ2转换为低电平，晶体管M3处的电荷将传输到积分电容C。积分电容C的电位V_INT大于参考电位VREF时，比较单元221输出低电平，使得复位信号Φ1、Φ2均为高电平，进而不对积分电容进行电荷传输。

由上可知，复位信号Φ1、Φ2取决于比较单元221的输出信号，即是否对积分电容C的电位进行复位电取决于该输出信号是否翻转。换而言之，比较单元221输出信号的翻转，实现了折叠积分的过程。计数器222通过或门L1的输出来获取比较单元221的翻转次数D0，进而获得粗量化的量化结果D0，并且经由开关TR1将该量化结果传输到粗量化存储器223，其中，开关TR1的导通时间为D₀Tran。当粗量化结果存储到粗量化存储器223后，将向计数器222的复位端RST提供高电平，以将计数器222复位，以供后续的量化阶段重新计数。

(3)细量化阶段

在此阶段，探测器D继续以电流I_INT对积分电容C进行最后一次放电。当积分电压V_INT最后一次小于等于参考电压V_REF时，比较单元221翻转，细量化停止。可以理解的，由于细量化阶段和粗量化阶段的探测器电流保持相同，因此，通过确定细量化的时间，可以确定细量化的结果。逻辑单元还被配置为以时钟信号CK1来标定细量化阶段的时间。

在细量化阶段，时钟信号CK1为均匀分布的时钟脉冲信号。具体而言，当进行细量化时，与门L2的第二输入端处的量化指示信号INT为低电平，以使得复位信号Φ1、Φ2均为高电平，不再对积分电容C进行电荷传输。比较单元221持续输出低电平，或门L1输出时钟信号CK1，直至比较单元221输出高电平。在比较单元221输出高电平之前，计数器222基于所接收到的时钟信号CK1来确定细量化的时间长度t＝D1*t_U，得到细量化的量化结果D1，并且经由开关TR2将该量化结果传输到细量化存储器224，即开关TR2的导通时间为D₁Tran。可以理解的，存储细量化结果的步骤可以在下一个量化阶段执行，从而提升信号转换装置的速度。在一种实施方式中，当需要以1秒N帧的速度进行读出时，粗量化的时间t_INT与细量化的时间D1*t_U之和小于等于1/N秒。

可以理解的，虽然本实施例中复位信号为两个信号，但是在其它实施方式中，也可以产生其它数目的信号来实现复位。

在本实施例中，使得积分电容C的电位从V_REF充电至电位V_R所需要的电荷量Q_U可以由式(2)表示：

Q_U＝C×(V_R-V_REF) (2)

其中，C为积分电容的电容值，V_R为复位电压，V_REF为参考电压。

若积分电容C为MOS型电容器，则在每次积分过程中，由于该电容器两端压差的变化，MOS型电容器的容值也发生改变，因此，图2b中的斜坡电压V_INT斜率会发生变化。

由于在细量化过程中的探测器电流I_INT与粗量化过程中的相同，因此，通过确定细量化的时间长度，便可以确定两级量化过程中积分电容C上积分的电荷量，可以如下所示：

Q_INT＝I_INT×(t_INT+D₁×t_U)＝Q_U(D₀+1) (3)

其中，Q_INT为两级量化中C上积分的电量总和，t_U为细量化的单位时间间隔，Q_U为单位时间向积分电容C注入的电荷量。可以理解的，表达式(2)中所示出的电荷关系对于任何大小的探测器电流均成立。由表达式(3)可以得出如下关系：

可以理解的，由于D1*t_U为细量化的时间，因此，D1*t_U/t_INT远小于1。表达式(4)可以简化为：

其中Ct＝t_INT/t_U，通过将Ct设为2的k次幂，公式(5)中的乘除法可以用简单的移位来实现。从公式(5)中可以看出，探测器电流I_INT仅仅与两次量化的数字量D0、D1相关，而与积分电容C的大小无关，这说明所提出的电路对积分电容的工作区间没有要求。

图3a示出了依据本申请另一实施例的信号转换装置的架构图，图3b为图3a中信号转换装置的时序图。

如图所示，在积分模块310中，积分电容C经由晶体管M1耦合到探测器D，并且经由开关元件S耦合到电位VR3。比较单元321的第一输入端(即，负输入端)耦合到积分电容C以获取该电容上的积分电压V_INT，第二输入端(即，正输入端)耦合到参考电位V_REF，输出端耦合到逻辑单元以向逻辑单元提供积分电压V_INT与参考电位V_REF之间的比较结果。在本实施例中，逻辑单元包括逻辑门阵列L1-L2、计数器322、粗量化存储器323以及细量化存储器324。

(1)初始阶段

在该阶段，开关S闭合，电容C上的电位V_INT被复位到电位VR，探测器D不对积分电容C进行放电。

(2)粗量化阶段

与图2a中的实施例相同，粗量化阶段具有预设的时间长度t_INT，并且可以根据具体应用场景来确定。探测器电流I_INT在积分电容C上进行积分，使得积分电容C的电位从电位VR开始下降形成斜坡电压V_INT。当斜坡电压V_INT下降到参考电压V_REF时，比较单元321翻转，向或门L1的第一输入端提供高电平信号。或门L1的第二输入端接收时钟信号CK1。时钟信号CK1在粗量化阶段一直保持低电平，从而使得或门L1能够将比较单元321的输出信号传送至后续的逻辑门。

与门L2的第一输入端耦合到或门L1的输出端，并且第二输入端耦合到量化指示信号INT。在粗量化阶段，量化指示信号INT保持高电平。基于上述配置，当比较单元321的输出高电平时，与门L2同样输出高电平，进而使得开关S闭合，使得积分电容C上的电压被上拉到VR。如此反复，实现了折叠积分的过程。

计数器322通过或门L1的输出来获取比较单元321的翻转次数D0，进而获得粗量化的量化结果D0，并且经由开关TR1将该量化结果传输到粗量化存储器323，其中，开关TR1的导通时间为D₀Tran。当粗量化结果存储到粗量化存储器323后，将向计数器322的复位端RST提供高电平，以将计数器322复位，以供后续的量化阶段重新计数。

(3)细量化阶段

在此阶段，探测器D继续以电流I_INT对积分电容C进行最后一次放电。当积分电压V_INT最后一次小于等于参考电压V_REF时，比较单元321翻转，细量化停止。可以理解的，由于细量化阶段和粗量化阶段的探测器电流保持相同，因此，通过确定细量化的时间，可以确定细量化的结果。逻辑单元还被配置为以时钟信号CK1来标定细量化阶段的时间。

在细量化阶段，时钟信号CK1为均匀分布的时钟脉冲信号。具体而言，当进行细量化时，由于与门L2的第二输入端处的量化指示信号INT为低电平，从而使得开关保持断开，不再对积分电容C的进行电压复位。比较单元321持续输出低电平，或门L1输出时钟信号CK1，直至比较单元321输出高电平。在比较单元321输出高电平之前，计数器322基于所接收到的时钟信号CK1来确定细量化的时间长度t＝D1*t_U，得到细量化的量化结果D1，并且经由开关TR2将该量化结果传输到细量化存储器324。

可以理解的，虽然本实施例中复位信号为两个信号，但是在其它实施方式中，也可以产生其它数目的信号来控制电荷传输。

由上可知，本申请中的信号转换装置的细量化值是由时钟CK1的个数来确定的。当CK1频率足够高，可以得到精度极高的细量化的值。

可以理解的，本申请的技术方案同样适用于其它类型的电容器，包括金属电容器、多晶硅电容器等。另外，本实施例中的探测器D所产生的电流流出自电容C，因此，外部信号(譬如，光照)对探测器D产生影响后，使得V_INT是斜率为负的斜坡电压。

在其它实施例中，探测器D所产生的电流也可以是流向电容C，从而使得V_INT是斜率为正的斜坡电压。当该斜坡电压上升到VREF时，积分电容C的电位被复位到VR(即，复位单元将积分电容C的电位下拉到VR)，重新开始积分过程，在此，不再赘述。

因此，虽然参照特定的示例来描述了本申请，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本申请进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本申请的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。

Claims

1.一种信号转换装置，包括：

积分模块，配置为基于积分电流进行积分，以提供积分电压；以及

控制模块，其被配置为

在第一时间段中，基于所述积分电压与参考电位的比较结果获得具有第一精度的第一量化信号以及残余量，其中，所述第一时间段具有预设的时间长度；

在第二时间段中，使得所述积分模块通过所述积分电流对所述残余量积分，通过指定的时钟信号来确定所述第二时间段的时间长度，以基于所述第二时间段的时间长度来确定具有第二精度的第二量化信号；所述第二精度的满量程大于等于所述第一精度；以及

所述控制模块包括：

比较单元，其第一输入端接收所述积分电压，第二输入端接收所述参考电位；

逻辑单元，其中，所述逻辑单元包括

计数器；

逻辑门阵列，其第一输入端耦合到所述比较单元的输出端，第二输入端接收所述指定的时钟信号，第三输入端接收量化指示信号，所述逻辑门阵列配置为

在所述第二时间段中，向所述计数器传输所述指定的时钟信号，并且所述量化指示信号将所述指定的时钟信号和所述积分模块隔离。

2.如权利要求1所述的信号转换装置，其中，所述控制模块还被配置为：

在所述第一时间段中，基于所述比较结果来判断是否向所述积分模块提供复位信号以复位所述积分电压。

3.如权利要求1所述的信号转换装置，其中，所述控制模块配置为基于所述计数器所获取的所述指定的时钟信号来确定所述第二量化信号。

4.如权利要求1所述的信号转换装置，其中，所述逻辑门阵列还配置为：

在所述第一时间段，基于所述比较单元的输出信号和所述量化指示信号来产生至少一个复位信号。

5.如权利要求4所述的信号转换装置，其中，所述积分模块包括电荷传输单元，其中，所述电荷传输单元包括：

第一晶体管，其第一极接收第一复位信号，控制极接收第一偏置信号；

第二晶体管，其第一极耦合到所述第一晶体管的第二极，控制极接收第二偏置信号；以及

第三晶体管，其第一极耦合到所述第二晶体管的第二极，控制极接收第二复位信号，第二极耦合到所述比较单元的第一输入端。

6.如权利要求5所述的信号转换装置，其中，所述逻辑门阵列包括：

第一逻辑门，其第一输入端耦合到所述比较单元的输出端，第二输入端接收所述指定的时钟信号；

第二逻辑门，其第一输入端耦合到所述第一逻辑门的输出端和所述计数器的输入端，第二输入端接收所述量化指示信号；

第三逻辑门，其第一输入端耦合到所述第二逻辑门的输出端，输出端用于输出所述第一复位信号；

第四逻辑门，其输入端耦合到所述第二逻辑门的输出端；

第五逻辑门，其第一输入端耦合到所述第三逻辑门的输出端，第二输入端耦合到所述第二逻辑门的输出端；以及

第六逻辑门，其输入端耦合到所述第五逻辑门的输出端，输出端用于输出所述第二复位信号。

7.如权利要求4所述的信号转换装置，其中，所述积分模块包括开关元件，并且所述开关基于所述至少一个复位信号而导通。

8.如权利要求7所述的信号转换装置，其中，所述逻辑门阵列包括：

第七逻辑门，其第一输入端耦合到所述比较单元的输出端，第二输入端接收所述指定的时钟信号；

第八逻辑门，其第一输入端耦合到所述第七逻辑门的输出端和所述计数器的输入端，第二输入端接收所述量化指示信号，并且所述第八逻辑门的输出端耦合到所述开关元件。

9.如权利要求1所述的信号转换装置，还包括：

探测模块，配置为在外部信号的影响下，提供所述积分电流。

10.如权利要求9所述的信号转换装置，其中，所述控制模块还配置为：

基于所述第一量化信号和所述第二量化信号确定所述探测模块在所述外部信号的影响下所产生的待量化信号的量化结果。

11.如权利要求9所述的信号转换装置，其中，所述探测模块包括光电二极管。

12.一种信号转换方法，包括：

在第一时间段中，利用积分电流来执行折叠积分，以获得第一精度的第一量化信号和残余量，其中，所述第一时间段具有指定的时间长度；

在第二时间段中，通过所述积分电流对所述残余量进行积分，通过指定的时钟信号来确定所述第二时间段的时间长度，并基于所述第二时间段的时间长度来确定具有第二精度的第二量化信号；所述第二精度的满量程大于等于所述第一精度。